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基于TMS320C6711的線陣CCD采集與處理系統(tǒng)
摘要：一種基于DSP的CCD采集與處理系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中DSP（TMS320C6711）進(jìn)行高速、大數(shù)據(jù)量的數(shù)字信號處理、MCU（89C52）完成人機(jī)界面處理。文中給出該系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用：靜止懸浮式激光散射法血細(xì)胞分類計數(shù)儀中光電信號的采集和處理。將該系統(tǒng)做適當(dāng)修改，同樣也可適用于其它光電信號的采集處理。關(guān)鍵詞：TMS320C6711CCD89C52數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)處理
引言
TMS320C6711是TI公司推出的DSP芯片。其數(shù)據(jù)處理功能非常強(qiáng)大，時鐘速度可大100M（或者150M），但是其I/O功能要求有限。因此，采用MCU（89C52）作為人機(jī)接口，構(gòu)成雙CPU（MCU和DSP）系統(tǒng)。
1系統(tǒng)構(gòu)成
本文所介紹的CCD采集系統(tǒng)是在32位浮點DSP（TMS320C6711）上實現(xiàn)的。如圖1所示：單片機(jī)89C52負(fù)責(zé)接受鍵盤輸入，并在液晶顯示器上顯示處理的結(jié)果信息；CCD在光點轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換器后在異步FIFO中緩存；DSP是系統(tǒng)的信息處理中心，它讀取FIFO中的數(shù)據(jù)后經(jīng)過處理，將結(jié)果傳給89C52，由液晶顯示器顯示信息。
DSP（TMS320C6711）是整個硬件系統(tǒng)的信號處理中心。它接受CCD傳來的采集信號，加以處理并將結(jié)果傳給單片機(jī)。DSP還完成對Flash和SDRAM的控制。
MCU（89C52）主要充當(dāng)人機(jī)界面的角色，接受外部鍵盤的輸入，將DSP傳輸未來的結(jié)果用數(shù)據(jù)和圖文的形式在液晶顯示器上顯示出來。
*8KB的可編程FlashMemory；
*可以寫/擦1000次以上；
*內(nèi)置256×8位RAM；
*32個可編程I/O口。
圖3信號雙向緩沖器隔離圖
由于DSP計算能力很強(qiáng)，但I(xiàn)/O控制能力有限，因此89C52的以上性能可以保障系統(tǒng)控制能力，提供人機(jī)接口之便。
CCD（TCD132D）是一種新型的固體成像器件。特別適合各種精密圖像傳感和無接觸工件尺寸的在線測量。TCD132D是具有1024個像素的二相線性CCD。
IDT7204是4K×9位的異步FIFO，讀寫操作會自動訪問存儲器中連續(xù)的存儲單元。從FIFO中讀出的數(shù)據(jù)和寫入的順序相同，地址的順序在內(nèi)部已經(jīng)預(yù)先定義好。芯片對讀寫指針提供復(fù)位功能，使內(nèi)部讀寫指針同時設(shè)置到初始位置。另外，它還可以對已經(jīng)讀出的數(shù)據(jù)通過將讀指針重新設(shè)置到初始位置而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的重新讀取。該器件用9位數(shù)據(jù)寬度，第9位可以根據(jù)用戶需要作控制位或者校驗位。IDT7204的存取速率可達(dá)12ns。
A/D轉(zhuǎn)換器（AD7821）是Analog公司出品的高速8位A/D轉(zhuǎn)換器件；Flash采用AMD公司4Mbit的FlashMemoryAM29LV400B；SDRAM采用了4片Micron公司生產(chǎn)的高速SDRAM芯片MT48LC2M8A；液晶顯示采用T6963C控制器點陣圖形液晶顯示模塊。
2系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵電路的設(shè)計和主要芯片的互連互控
2.1CCD以及A/D模塊
采用TCD132D線性CCD，光電轉(zhuǎn)換后用三極管放大，如圖2所示。三極管放大后用LF357進(jìn)行濾波處理，然后再送A/D模塊濾波、轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換使用AD7821，采用READ方式讀取數(shù)據(jù)。
2.2DSP與SDRAM、FIF0的互連和信號完整性設(shè)計
由于TMS320C6711的時鐘頻率在100MHz以上，時鐘沿時間為10ns或者以下，系統(tǒng)構(gòu)成中除有DSP芯片本身外，還有SDRAM、Flash、FIF
O等。故必須對系統(tǒng)進(jìn)行分割，主要目的是保護(hù)高速部分，即SDRAM部分。
設(shè)計中高速部分（SDRAM部分）要求信號線盡量短，盡量靠近DSP。本系統(tǒng)中需要使用大量存儲器（4片SDRAM）。DSP與SDRAM的時鐘接口速度很高，為保障信號的完整性，如圖3所示，采用圖4所示的時鐘緩沖器產(chǎn)生4個相同、延遲極小并且一致的時鐘，分別接到4片SDRAM上。這樣不但增加了時鐘的驅(qū)動能力，同時還很好地保證了信號的完整性。
為了保護(hù)高速信號部分，同時為了防止DSP外設(shè)驅(qū)動能力的不足，用74LVT162245雙向緩沖器實現(xiàn)Flash和異步FIFO數(shù)據(jù)線的職責(zé)離。
FIFO芯片IDT7204與DSP連接中圖5所示。FIFO是異步器件，所以放到CE1空間上。FIFO的讀信號由XARE#、XCE1#、XA20、XA21控制。當(dāng)AD7821信號轉(zhuǎn)換害完成后，由DB_INT向WE#寫信號線開始寫入FIFO；而當(dāng)FIFO半滿后，由HF#向DSP的X_INT4請求寫入DSP。
2.3DSP與MCU的互連
由于DSP的McBSP接口和MCU（89C52）的UART接口并不一致，所以不能直接把McBSP當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)的UART來應(yīng)用。McBSP和UART連接有兩種方式：一種是SerialPort方式，硬件連接如圖6所示；另一種是將McBSP設(shè)置成GPIO方式，其硬件連接如圖7所示。
3系統(tǒng)在生物醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用舉例
利用靜止懸浮式（非流式）激光散射法血細(xì)胞分類計數(shù)測定法對血細(xì)胞分類計數(shù)，不需要固定和染色樣品，不需要導(dǎo)電介質(zhì)，更不需要昂貴的流式裝置，可以方便、快捷地對血細(xì)胞分類計數(shù)。這不但大大降低了儀器造價，滿足于血液常規(guī)的檢驗，而且還可以針對病人的不同要求分別檢驗，減輕病人負(fù)擔(dān)。
3.2軟件及其優(yōu)化
本系統(tǒng)的軟件分為兩部分：一是以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)控制程序，主要是人機(jī)接口程序；二是以DSP為核心的數(shù)據(jù)處理程序。下面就分別對這兩部分進(jìn)行詳細(xì)的闡述。
（1）以單片機(jī)為核心的系統(tǒng)控制程序
單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心負(fù)責(zé)液晶的顯示、鍵盤的掃描及系統(tǒng)的啟動和停止。圖8是這部分的程序流程圖。
�。�2）以DSP為核心的數(shù)據(jù)處理程序
DSP子系統(tǒng)接受單片機(jī)傳遞的操作指令和參數(shù)，啟動CCD工作，然后，通過QDMA方式從FIFO（數(shù)據(jù)緩沖作用）里面讀取光強(qiáng)數(shù)據(jù)，調(diào)用NNLS算法計算血細(xì)胞的尺寸分布。最后，把結(jié)果傳遞給單片機(jī)。
圖9是這部分程序的流程圖。程序采用C語言與匯編語言混合編寫。C語言構(gòu)成程序的主框架。
程序的優(yōu)化包數(shù)據(jù)預(yù)處理和采用浮點運算器TMS320C6711的各種優(yōu)化方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
由于測得的散射光強(qiáng)分布信息的數(shù)字化信號往往帶有電路噪聲和隨機(jī)誤差，影響到測量的精度。為使這些數(shù)據(jù)能更好地反映實際情況，通常要對它們進(jìn)行一定的預(yù)處理，這樣才能作為數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)一步計算的原始數(shù)據(jù)。我們采集50組光學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，來減小相對誤差。由于CCD光學(xué)探測器的各像元具有空間等間隔特點，故采用五點三次平滑濾波獲取血液樣品的徑向散射光強(qiáng)。
4結(jié)論
線陣CCD采集和處理系統(tǒng)采用DSP（TMS320C6711）和MCU（89C52）的雙CPU處理系統(tǒng)。將DSP的數(shù)據(jù)處理速度快和MCU的I/O控制能力強(qiáng)的優(yōu)點結(jié)合起來，外加高速AD轉(zhuǎn)化器、異步FIFO，構(gòu)成了功能強(qiáng)大、計算速度快的光電采集處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在工業(yè)信號采集處理、醫(yī)學(xué)信號采集處理等領(lǐng)域都有很廣的應(yīng)用前景。
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